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Nature最新報(bào)道： “極性金屬”=金屬導(dǎo)電性+穩(wěn)定+絕緣

2016-04-27 10:15:42 作者：本網(wǎng)整理來源：材料牛分享至：

近日,Nature報(bào)道:美國(guó)威斯康星大學(xué)Kim等人結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)首次在二維薄膜上,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)極性金屬的理論原則,并基于幾何設(shè)計(jì)穩(wěn)定性思想,利用反轉(zhuǎn)保留位移的原子操控方法,在NdNiO3(一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶體)薄膜上,制備出了室溫下可穩(wěn)定存在的極性金屬.這種幾何設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的方法為發(fā)現(xiàn)多種特性共存的新型多功能材料的研究提供了一條新奇快捷的方法,為下一代同時(shí)具有光電磁功能的器件研究鋪就了道路.作者預(yù)測(cè),這種非平衡態(tài)幾何設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的方法為在復(fù)雜氧化物中尋找新奇鐵相,自旋結(jié)構(gòu)和拓?fù)湎嗟阮I(lǐng)域的發(fā)展提供了一塊沃土.

【思路起源】

眾所周知,當(dāng)許多原子組成固體的時(shí)候,每個(gè)原子的最外層電子會(huì)被其他原子共享.金屬的共享電子在金屬內(nèi)部可以自由移動(dòng),而絕緣體和半導(dǎo)體的共享電子會(huì)保持緊束縛狀態(tài),僅被臨近原子共享.高斯定理指出,靜電平衡時(shí),由于有效電荷的屏蔽作用,導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度為零.因此,金屬內(nèi)部的自由電荷可以消除因非對(duì)稱電荷分布產(chǎn)生的偶極子;而絕緣體和半導(dǎo)體不能消除非對(duì)稱場(chǎng)的作用,從而發(fā)生極化,宏觀表現(xiàn)為極性,例如鐵電材料.常識(shí)告訴我們,自然界中不會(huì)存在一種具有類鐵電相的金屬材料.

然而,早在50多年前,科學(xué)家提出猜測(cè):可能存在具有類鐵電相的金屬材料.之后的報(bào)道零星點(diǎn)點(diǎn),鮮有突出進(jìn)展.直到2014年,設(shè)計(jì)極性金屬的理論原則被提出,該原則表明,設(shè)計(jì)金屬材料的關(guān)鍵在于保證電偶極子的形成對(duì)金屬自由電子的運(yùn)動(dòng)沒有影響.

一般地,簡(jiǎn)單的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶體的化學(xué)式為ABO3,A、B為陽離子,O為氧陰離子,A離子占據(jù)立方體的八個(gè)頂角,B離子位于立方體中心,O離子位于面心,其中O離子形成一個(gè)八面體"牢籠","囚禁"著B離子(如上圖a所示).這樣的單元堆積形成塊狀晶體.但是,對(duì)于大多數(shù)鈣鈦礦晶體,理想的立方結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的:因?yàn)椴煌脑?離子大小不同,因此O離子"牢籠"會(huì)發(fā)生傾斜和旋轉(zhuǎn)(如上圖b所示).這些扭曲會(huì)伴隨著離子的反排序位移,如果陽離子向一個(gè)方向偏移,O離子向相反方向偏移,這就會(huì)產(chǎn)生極化.從而可能產(chǎn)生極性金屬.

【結(jié)果與討論】

圖片1

圖1 八面體傾斜設(shè)計(jì)的極性NdNiO3的幾何穩(wěn)定性.a, a-a-c+傾斜模式下,室溫平衡時(shí)金屬性NdNiO3的塊結(jié)構(gòu);b, 不同a-a-c+傾斜模式下,在LaAlO3(111)襯底上,中心對(duì)稱NdNiO3的區(qū)域中心聲子模式:圖中頻率代表晶格的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性,隨著傾斜角度Θ向平衡值增加而硬化.插圖描繪了Bu模式下的原子位移方向.頂部嵌板指出理論預(yù)測(cè)穩(wěn)定相對(duì)應(yīng)的最小傾斜角(<7.6°),高于最小值的非極性金屬相是穩(wěn)定的.C, LaAlO3 (111)襯底上NdNiO3的非平衡幾何穩(wěn)定極化金屬結(jié)構(gòu).d-f,不穩(wěn)定的Au模式和Bu模式下,不同傾斜角度和旋轉(zhuǎn)角度的能量.